Robot(Matlab) Traslación

Traslación y Rotación� Es la matriz homogenes que se consigue después de trasladar y posteriormente rotar con respecto a uno de los ejes fijos.

� La matriz de transformaciones homogénea esta dada por:

Traslación y Rotación

Rotación y Traslación� Es el resultado de rotar con respecto a un eje fijo y posteriormente

trasladar.� Son 3 las matrices de transformación homogénea. Con respecto al eje z

es:

Ejemplos de Matlab (Rotaciones)%Programa que validar operaciones de rotación 6/Abril/2010

clear; close

%Genera un cuadro con rotaciones

P1=[1.1;1.1;2;1];

P2=rotz(pi/2)*P1;

X=[P1(1),P2(1)]; Y=[P1(2),P2(2)]; Z=[P1(3),P2(3)];

L1=line(X,Y,Z,'Color','r','LineWidth',4)

xlabel('x'); ylabel('y'); zlabel('z')

view(3)

P1=P2;

P2=rotz(pi/2)*P1;

X=[P1(1),P2(1)]; Y=[P1(2),P2(2)]; Z=[P1(3),P2(3)];

L4=line(X,Y,Z,'Color','c','LineWidth',4)

pause

%Modifica un objeto

Z=get(L4,'zdata');

Z=Z+1;

grid

pause

P1=P2;

P2=rotz(pi/2)*P1;

X=[P1(1),P2(1)]; Y=[P1(2),P2(2)]; Z=[P1(3),P2(3)];

L2=line(X,Y,Z,'Color','g','LineWidth',4)

Pause

P1=P2;

P2=rotz(pi/2)*P1;

X=[P1(1),P2(1)]; Y=[P1(2),P2(2)]; Z=[P1(3),P2(3)];

L3=line(X,Y,Z,'Color','b','LineWidth',4)

pause

set(L4,'zdata',Z)

pause

Z=Z-1;

set(L4,'zdata',Z)

%Objeto Cuadro. Lo manipula

Cuadro=[L1;L2;L3;L4];

manipulaObjeto(Cuadro,rotz(pi/4));

for r=0:pi/10:2*pi

manipulaObjeto(Cuadro,rotz(r));

end

Función: manipulaObjetofunction Objeto = manipulaObjeto(Dato1,Transfor)%Transfor=rotz(pi/4);%Dato1=CuadroN=size(Dato1);for i=1:N

Li=Dato1(i);Xi=get(Li,'xdata');Yi=get(Li,'ydata');Zi=get(Li,'zdata');Pi1=[Xi(1);Yi(1);Zi(1);1];Pi2=[Xi(2);Yi(2);Zi(2);1];Pi1=Transfor*Pi1;Pi2=Transfor*Pi2;Xi=[Pi1(1);Pi2(1)];Yi=[Pi1(2);Pi2(2)];Zi=[Pi1(3);Pi2(3)];set(Li,'xdata',Xi, 'ydata',Yi,'zdata',Zi);pause(0.2)

endObjeto=1;

Curvas paramétricas y línea recta%Este Programa genera la línea recta y un circulo%4 de Mayo 2010clear; closeN=50;dt=4*pi/(N);i=1;for t=0:dt:4*pi

X(i)=cos(t);

P1=[1;2;3];

P2=-P1;

N=100;

dt=1/N

i=1;

Close

for t=0:dt:1

temp=(P2-P1)*t+P1;

X2(i)=temp(1);

Y(i)=sin(t);Tiempo(i)=t;i=i+1;subplot(3,1,1), plot(Tiempo,X)gridSubplot(3,1,2), plot(Tiempo,Y)gridSubplot(3,1,3), plot(X,Y)gridpause(0.1)

endpause

Y2(i)=temp(2);

Z2(i)=temp(3);

Tiempo2(i)=t;

i=i+1;

subplot(2,2,1), plot(Tiempo2,X2)

grid

subplot(2,2,2), plot(Tiempo2,Y2)

grid

subplot(2,2,3), plot(Tiempo2,Z2)

grid

subplot(2,2,4), plot3(X2,Y2,Z2)

grid

pause(0.1)

end

Ejemplo de Aplicación

Solución por Matrices de Rotación y Traslación

Toolbox de Robótica� Provee varias funciones que son utiles en robótica

incluyendo cinemática, dinámica y generación de trayectoria

� Suministra objetos en Matlab que permite generar y manipular cualquier cadena serial de eslabones encapsulados en funciones de Matlab

� El toolbox también tiene funciones para manipular � El toolbox también tiene funciones para manipular y convertir tipos de datos vectoriales, transformaciones homogéneas y cuaterniones para representar la posición y orientación en 3 dimensiones

� Tiene un manual de ayuda en PDF con las sus funciones

� Fue desarrollado por Peter I. Corke, investigador de Queensland Center for AdvancedTechnologies en Australia

Instalación del Toolbox� El toolbox viene en una carpeta llamada robot� Copiarale en la carpeta de toolbox de matlab:

� C:\Archivos de programa\MATLAB\R2009a\toolbox\robot

� Dar de lata la carpeta en el Matlab.� Dentro de Matlab ir a: File→Set→ Path� Seleccionar: La carpeta de robot que esta en la trayectoria� Seleccionar: La carpeta de robot que esta en la trayectoriaespecificada

� Presionar el boton: Add Folder� Queda listor

� Para probar que ha quedado bien instalado dar en la línea de comandos: >> rotx(0)

� No debe marcar errores y regresa una matriz de 4x4

Funciones del Toolbox


Rotación en XRotación en XRotación en XRotación en X TraslaciónTraslaciónTraslaciónTraslación

>> rotx(pi/2)

ans =

>> transl([1 2 3])

ans =

1.0000 0 0 00 0.0000 -1.0000 00 1.0000 0.0000 00 0 0 1.0000

>>

1 0 0 10 1 0 20 0 1 30 0 0 1

>>

Generación de un Robot>> L1=link([0 1 0 0 0],'standard');>> L2=link([0 1 0 0 0], 'standard');>> r=robot({L1 L2});>> L1=link([0 1 0 0 0],'standard');>> L2=link([0 1 0 0 0], 'standard');>> r=robot({L1 L2})

r = 0

1

2

xy z

noname (2 axis, RR)grav = [0.00 0.00 9.81]standard D&H parameters

alpha Atheta D

R/P0.000000 1.000000 0.000000 0.000000

R (std)0.000000 1.000000 0.000000 0.000000

R (std)

>> plot(r, [0 0])

-2-1

01

2

-2

-1

0

1

2-2

-1

0

XY

Z

noname

Manipulación de un Cubo� %Este Ejemplo manipula un cubo en 3 dimensiones

� clear; close;

� largo=4; Color='r'; Ancho=4;

� Cubo=CreaCubo(largo,Color,Ancho)

� xlabel('x'); ylabel('y'); zlabel('z');

� view(3)

� grid

� v=[-largo,largo,-largo,largo,-largo,largo];

� axis(10*v);

� hold on

� pause

� for r=0:pi/6:2*pi

� for r1=0:pi/6:2*pi

� for r2=0:pi/10:2*pi

� RotaCubo(Cubo,rotx(r)*roty(r1)*rotz(r2));

� pause(0.2)

� end

� end

� end

� rango1=1;

� mmm=1

� while mmm

� r=LimitaRango(rand,rango1)*pi;

� r1=LimitaRango(rand,rango1)*pi;

� r2=LimitaRango(rand,rango1)*pi;

� rx=LimitaRango(rand,rango1)*largo/10;

� ry=LimitaRango(rand,rango1)*largo/10;

� rz=LimitaRango(rand,rango1)*largo/10;

� Pxyz=[rx,ry,rz];

� RotaCubo(Cubo,transl(Pxyz)*rotx(r)*roty(r1)*rotz(r2));

� pause(0.3)

� end

Manipulación de un Cubo

Función Función Función Función CreaCubo.mCreaCubo.mCreaCubo.mCreaCubo.m Función CreaCuadro2.mFunción CreaCuadro2.mFunción CreaCuadro2.mFunción CreaCuadro2.m� %Esta función crea un cubo

� function Cubo= CreaCubo(largo, Color, Ancho)

� P1=[largo,-largo,-largo,1]';

� Cuadro1=CreaCuadro2(P1,rotz(pi/2),Color,Ancho);

�

� P2=P1;

� function Cuadro = CreaCuadro2(P1,Transfor,Color,Ancho)

� P2=Transfor*P1;� L1=CreaLinea(P1,P2,Color,Ancho);� P1=P2;

P2=Transfor*P1;� P2(3)=P2(3)+2*largo;

� Cuadro2=CreaCuadro2(P2,rotz(pi/2),'r',4);

� pause(0.2)

�

� for i=1:4

� La=Cuadro1(i);

� Lb=Cuadro2(i);

� Xa=get(La,'xdata'); Xb=get(Lb,'xdata');

� Ya=get(La,'ydata'); Yb=get(Lb,'ydata');

� Za=get(La,'zdata'); Zb=get(Lb,'zdata');

� P1=[Xa(1),Ya(1),Za(1),1]'; P2=[Xb(1),Yb(1),Zb(1),1]';

� Li(i)=CreaLinea(P1,P2,'b',Ancho);

�

� end

� Cubo=[Cuadro1,Cuadro2,Li'];

� P2=Transfor*P1;� L2=CreaLinea(P1,P2,Color,Ancho);� P1=P2;� P2=Transfor*P1;� L3=CreaLinea(P1,P2,Color,Ancho);� P1=P2;� P2=Transfor*P1;� L4=CreaLinea(P1,P2,Color,Ancho);�

� Cuadro=[L1;L2;L3;L4];

Manipulación de un Cubo

Función Función Función Función CreaLinea.mCreaLinea.mCreaLinea.mCreaLinea.m Función Función Función Función RotaCubo.mRotaCubo.mRotaCubo.mRotaCubo.m

� function Linea = CreaLinea(P1,P2,Color,Ancho)

� function dato = RotaCubo(Cubo,Transform)

�

� %Transform=rotz(pi/4);

� for i=1:3

� for j=1:4

� La=Cubo(j,i);cho)

� X=[P1(1),P2(1)]; Y=[P1(2),P2(2)]; Z=[P1(3),P2(3)];

� Linea=line(X,Y,Z,'Color',Color,'LineWidth',Ancho)

� La=Cubo(j,i);

�

Xa=get(La,'xdata');Ya=get(La,'ydata');Za=get(La,'zdata');

� P1=[Xa(1),Ya(1),Za(1),1]'; P2=[Xa(2),Ya(2),Za(2),1]';

� P1=Transform*P1; P2=Transform*P2;

�

Xa=[P1(1),P2(1)];Ya=[P1(2),P2(2)];Za=[P1(3),P2(3)];

� set(La,'xdata',Xa,'ydata',Ya,'zdata',Za);

� %pause(0.1)

� end

� end

Cinemática� La cinemáica del robot estudia el

movimiento con respecto a un sistema de referencia

� Existen 2 problemas fundamentales, cinemática directa e inversa.

� La cinemática directa consiste en determinar � La cinemática directa consiste en determinar la posición y orientación del extremo final del robot en función de las coordenadas articulares

� La cinemática inversa determina las coordenadas articulares en función de la posición final del robot.

Cinemática

� La cinemática del robot trata también de encontrar las relaciones entre las velocidades de cada articulación y la del extremo. A esto se le conoce como modelo diferencial.

� Denavit y Hartenberg propusieron un método sistemático para representar la geometría espacial de los elementos de una cadena cinemática de un robot.

Problema Cinemático Directo� Un robot se puede considerar como una

cadena cinemática formada por eslabones unidos por articulaciones

� Se establece un sistema de referencia fijo solidario a la base

� Se describe la localización de cada uno de los eslabones con respecto a dicho de los eslabones con respecto a dicho sistema de referencia

� El problema cinemático directo se reduce a encontrar la matriz de transformación T

� Es función de las coordenadas articulares.

� Para sistemas de hasta 3 grados de libertad se puede usar un método trigonométrico

Problema Cinemático Inverso� El problema cinemático inverso consiste en encontrar los valores que debe adoptar las coordenadas articulares del robot para que su extremo se posicione y oriente según una determinada localización espacial

� Existen mas de una solución� Existen mas de una solución

� Se puede despejar de la matriz de transformación homogénea

� Se puede obtener usando trigonometría

� Lo adecuado es encontrar una solución cerrada, es decir encontrar una relación matemática explícita de la forma

Codo Abajo

Codo Arriba

Robot Scara

Robot Antropomórfico

Resolución del problema cinemáticodirecto� Mediante matrices de transformación homogénea

� A cada eslabón se le asocia un sistema de referencia solidario� Es posible representar las traslaciones y rotaciones relativas entre distintos eslabones

� La matriz representa la posición y orientación relativa entre los sistemas asociados a dos eslabones consecutivos del entre los sistemas asociados a dos eslabones consecutivos del robot.

� Existen métodos sistemáticos para situar los sistemas de coordenadas asociados a cada eslabón y obtener la cadena cinemática del robot. Modelado de Denavit-Hartenberg (D-H).

Resolución del problema cinemáticodirecto

� Sistematiza la obtención de las matrices entre eslabones� Los sistemas de coordenadas asociados a cada eslabón deben se escogidos con condiciones concretas

� Con 4 movimientos o transformaciones simples (rotaciones y traslaciones). Los cuales implican un parámetro D-H.

�

Resolución del problema cinemáticodirecto

Método de Denavit – Hartenberg (D-H)� Permite el paso de un eslabón al siguiente mediante 4 matrices de transformación básicas, que dependen exclusivamente de las características constructivas del robot.

� Las transformaciones básicas que relacionan el sistema de � Las transformaciones básicas que relacionan el sistema de referencia del elemento i con el sistema i-1 son:� Rotación alrededor del eje � Traslación a lo largo del eje � Traslación a lo largo de � Rotación alrededor del eje

Método de Denavit – Hartenberg (D-H)

Algoritmo de Denavit – Hartenberg I.1. Numerar los eslabones comenzando con 1 (primer eslabón móvil de la

cadena) y acabando con n (último eslabón móvil). Se numera como eslabón 0 a la base fija del robot.

2. Numerar cada articulación comenzando por 1 (la correspondiente al primer grado de libertad) y acabando en n.

3. Localizar el eje de cada articulación. Si ésta es rotativa, el eje será su propio eje de giro. Si es prismática, será el eje a lo largo del cual se produce el desplazamiento.desplazamiento.

4. Para i de 0 a n-1 situar el eje Zi sobre el eje de la articulación i+1.5. Situar el origen del sistema de la base {S0} en cualquier punto del eje Z0. Los

ejes X0 e Y0 se situarán de modo que formen un sistema dextrógiro con Z0.6. Para i de 1 a n-1, situar el sistema {Si} (solidario al eslabón i) en la

intersección del eje Zi con la línea normal común a Zi-1 y Zi. Si ambos ejes se cortasen se situaría {Si} en el punto de corte. Si fuesen paralelos {Si} se situaría en la articulación i+1.

7. Para i de 1 a a n-1, situar Xi en la línea normal común a Zi-1 y Zi.

Algoritmo de Denavit – Hartenberg I.8. Para i de 1 a n-1, situar Yi de modo que formen un sistema dextrógiro con Xi y Zi

9. Situar el sistema {Sn} en el extremo del robot de modo que Zn coincida con la dirección de Zn-1 y Xn sea normal a Zn-1 y Zn.

10. Obtener como el ángulo que hay que girar en torno a Zi-1 para que Xi-1 y Xi queden paralelos.

11. Obtener como la distancia medida a lo largo del eje Zi-1, que habría que desplazar {Si-1} para que Xi y Xi-1 quedasen alineados.

12. Obtener como la distancia medida a lo largo de Xi, que ahora coincidiría con Xi-1, 12. Obtener como la distancia medida a lo largo de Xi, que ahora coincidiría con Xi-1, que habría que desplazar el nuevo {Si-1} para que su origen coincidiese con { Si }.

13. Obtener como el ángulo que habría que girar en torno a Xi, que ahora coincidiría con Xi-1, para que el nuevo { Si-1} coincidiese totalmente con { Si}

14. Obtener las matrices de transformación 15. Obtener la matriz de transformación que relaciona el sistema de la base con el del

extremo del robot: 16. La matriz T define la orientación (matriz de rotación) y posición (matriz de

traslación) del extremo referidas a la base en función de las n coordenadas articulares.� Los 4 parámetros de D-H dependen únicamente de las características geométricas de cada eslabón

y de las articulaciones que le unen con el anterior y el siguiente.

Representación en Matlab D-H� La herramienta de robot para Matlab permite definir un robot usando la notación D-H.

Representación en Matlab D-H

Robot de 2 Grados de Libertad

Parámetros D-H Robot Scara

Robot Antropomorfico

Prueba del Robot Antropomórfico� %Este ejemplo hace que el robot antropomorfico genere un cuadrado y lo

� %recorra de ida y vuelta

� %26/Mayo/09

� clear; close;

� Long=[50,50,50];0

� r=generaAntropo(Long);

� q1=0; q2=0; q3=0;

� plot(r,[0,0,0]);

� xo=40; yo=-40; zo=60; radio=50;

� i=1;

� Puntos=[0,0,0;xo,yo,zo;40,-90,60];

� M=size(Puntos);

� for t=0:pi/20:2*pi

� clf

� x(k)=xo+radio*cos(t-pi/2);

� y(k)=yo+radio*sin(t-pi/2); z(k)=zo;

� P0=[x(k),y(k),z(k)];

� Q=CinversaAntropo(P0,Long);

� plot(r,Q);

� hold on

� plot3(x,y,z)

� pause(0.1)

� k=k+1;

� end� M=size(Puntos);

� k=1;

� N=20

� for i=1:M(1)-1

� N=30;

� P1=Puntos(i,:); P2=Puntos(i+1,:);

� Pxy=Traylinea(P1,P2,N);

� for j=1:N+1

� clf

� x(k)=Pxy(j,1); y(k)=Pxy(j,2); z(k)=Pxy(j,3);

� P0=Pxy(j,:);


� plot(r,Q);

� hold on

� plot3(x,y,z)

� pause(0.1)

� k=k+1;

� end

� end

� end

� P1=[x(k-1),y(k-1),z(k-1)]; P2=[0,0,0];

� Pxy=Traylinea(P1,P2,N);

� for j=1:N+1

� clf

� x(k)=Pxy(j,1); y(k)=Pxy(j,2); z(k)=Pxy(j,3);

� P0=Pxy(j,:);


� plot(r,Q);

� hold on

� plot3(x,y,z)

� pause(0.1)

� k=k+1;

� end

Prueba del Robot Antropomórfico� clear; close;

� l1=1;l2=1,l3=1;

� Long=[l1,l2,l3];

� r=generaAntropo(Long);

� plot(r,[0,0,0]);

� i=1;

�

� q1=0; q2=0; q3=0;

� escala=10;

� P1=[0,0,0]; P2=[1,-1,1];

� i=1;

� for t=0:escala/20:escala� for t=0:escala/20:escala

� clf

� P=generalinea(P1,P2,t,escala);

� X(i)=P(1); Y(i)=P(2); Z(i)=P(3);

� Q=CinversaAntropo(P,Long);

� tiempo(i)=t;

� aq1(i)=Q(1)*180/pi; aq2(i)=Q(2)*180/pi; aq3(i)=Q(3)*180/pi;

� %subplot(1,2,1),

� plot(r,Q); Hold on

� plot3(X,Y,Z)

� grid

� %subplot(1,2,2), plot(tiempo,aq1,tiempo,aq2,tiempo,aq3);

� grid

� i=i+1;

� pause(0.5)

� end

FuncionesCinemática Inversa del Cinemática Inversa del Cinemática Inversa del Cinemática Inversa del Robot AntropomórficoRobot AntropomórficoRobot AntropomórficoRobot Antropomórfico

Cinemática Directa del Cinemática Directa del Cinemática Directa del Cinemática Directa del Robot AntropomórficoRobot AntropomórficoRobot AntropomórficoRobot Antropomórfico

� %Esta función genera al robot antropomorfico. Recibe la longitud de cad eslabon

� function Q=CinversaAntropo(P0,Lados)� l1=Lados(1); l2=Lados(2); l3=Lados(3);� x=P0(1); y=P0(2); z=P0(3);

h=sqrt(x^2+y^2);

� %Esta función genera la cinemática directa del robot Antropomórfico

� %Los parámetrios que recibe son los ángulos y la longitud de los lados

� function P0=CdirectaAntropo(Q,Lados)� h=sqrt(x^2+y^2);� c=sqrt(h^2+(z-l1)^2);� gama=atan2((z-l1),h);� alfa=acos((l2^2+c^2-l3^2)/(2*l2*c+1e-9));�

� q1=atan2(y,x);� q2=gama-alfa;� q3=acos((c^2-l2^2-l3^2)/(2*l2*l3));� Q=[q1,q2,q3];

� l1=Lados(1); l2=Lados(2); l3=Lados(3);� q1=Q(1); q2=Q(2); q3=Q(3);� h=l2*cos(q2)+l3*cos(q2+q3);� c=sqrt(l2^2+l3^2+2*l2*l3*cos(q3));� x=h*cos(q1);� y=h*sin(q1);� z=l1+l2*sin(q2)+l3*sin(q2+q3);� P0=[x,y,z];�

Ejemplo de movimiento de un robot Antropomórfico%Este ejemplo hace que el robot

antropomorfico genere un cuadrado y lo

%recorra de ida y vuelta%26/Mayo/09clear; close;Long=[40,40,40];r=generaAntropo(Long);

for i=1:M(1)-1N=30;P1=Puntos(i,:); P2=Puntos(i+1,:);Pxy=Traylinea(P1,P2,N);for j=1:N+1

clfx(k)=Pxy(j,1); y(k)=Pxy(j,2);

r=generaAntropo(Long);q1=0; q2=0; q3=0;plot(r,[0,0,0]);i=1;Puntos=[0,0,0;0,-50,0;0,-

50,70;0,0,70;0,0,0;0,0,70;0,-50,70;0,0,0];

M=size(Puntos);k=1;�

x(k)=Pxy(j,1); y(k)=Pxy(j,2); z(k)=Pxy(j,3);P0=Pxy(j,:);Q=CinversaAntropo(P0,Long);plot(r,Q);hold onplot3(x,y,z)pause(0.1)k=k+1;

endend

Ejemplo de movimiento de un robot Antropomórfico

FuncionFuncionFuncionFuncion generaAntopo.mgeneraAntopo.mgeneraAntopo.mgeneraAntopo.m Función Función Función Función TrayLinea.mTrayLinea.mTrayLinea.mTrayLinea.m%Esta función genera al robot

antropomorfico. Recibe la longitud de cad eslabon

functionObjRobot=generaAntropo(Lados)

� %Esta función genera la trayectoria de una linea

� functionTray=TrayLinea(P1,P2,N)

ObjRobot=generaAntropo(Lados)l1=Lados(1); l2=Lados(2); l3=Lados(3);q1=0; q2=0, q3=0;L1=link([pi/2 0 (q1) l1 0], 'standard');L2=link([0 l2 q2 0 0], 'standard');L3=link([0 l3 q3 0 0], 'standard');r=robot({L1 L2 L3});

ObjRobot=r;

functionTray=TrayLinea(P1,P2,N)

� dP=P2-P1;� for i=1:N+1� Tray(i,:)=(i-1)*dP/N+P1;

� end

Ejemplo de movimiento de un robot Antropomórfico

Función Función Función Función CinversaAntropoCinversaAntropoCinversaAntropoCinversaAntropo%Esta función genera al robot antropomorfico. Recibe la longitud de cad eslabonfunction Q=CinversaAntropo(P0,Lados)l1=Lados(1); l2=Lados(2); l3=Lados(3);x=P0(1); y=P0(2); z=P0(3);h=sqrt(x^2+y^2);c=sqrt(h^2+(z-l1)^2);gama=atan2((z-l1),h);alfa=acos((l2^2+c^2-l3^2)/(2*l2*c+1e-9));

q1=atan2(y,x);q2=gama-alfa;q3=acos((c^2-l2^2-l3^2)/(2*l2*l3));Q=[q1,q2,q3];

Robot(Matlab) Traslación

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